地基热红外亮温遥感云底高度可行性的模拟研究

本文利用Modtran40模式比较系统地研究了不同强度（以地面能见度表示）和不同类型气溶胶情况下,晴空和各种云所形成的天空红外亮温Tb (Infrared Brightness Temperature)随地面观测天顶角的变化,从中发现利用Tb观测来遥感云底高度CBH（Cloud Base Height）的可行性,以及定量分析气溶胶层的影响.并且根据模拟计算结果,推出了由地面温度和湿度来计算晴天和不同CBH的中低云天天顶Tb的统计算式,以及由观测Tb和地表温、湿值反演CBH的方法.从模式计算和试验的初步结果可以看出：对于低云和中云,地基观测的Tb对CBH的变化有相当的敏感性,因此可以用于CBH的反演.地面气溶胶（能见度和气溶胶类型）对天空背景Tb有明显的影响,必须加以订正.但由于其影响对不同天顶角的贡献有一定的规律性,因此有可能得到较好的订正.     

青藏高原东北缘2次地震热红外亮温异常分析

应用静止气象卫星FY-2G的TBB产品为基础数据,针对2017年9月30日四川青川5.4级和2017年10月31日甘肃临潭4.3级地震前后出现在震中区附近的显著热红外异常,运用小波变换和相对功率谱法进行异常提取和资料分析。结果表明:青川地震热红外异常范围主要分布在震中东南区域,震前4个月左右出现功率谱增强现象,持续2个月左右。临潭地震热红外异常范围主要分布在震中的西南方向,震前20 d左右出现异常增强现象,随时间推移,异常范围逐渐向西南扩大,震前14 d异常开始收缩并减弱,异常持续30 d左右。通过对比2次震例,发现热异常特征有许多共同点,其中相同的特征周期可为中强地震前兆特征的归纳提供重要参考信息。     

基于Diviner红外亮温数据的月球赤道地区温度廓线模拟

以Diviner红外亮温数据为基础,结合半有限固体的热传导模型,模拟了月壤温度廓线并分析了影响月壤温度廓线的三种因素,为"嫦娥"卫星微波探测仪数据稳定性分析提供可靠依据.利用Diviner通道7红外亮温反演月表温度,代替月表辐射热平衡模型求解月表温度的过程,减少了由于辐射热平衡模型中月表太阳辐照度理想假设引起的误差.通过月壤逐层迭代10000次月球昼夜周期,月球赤道地区6.0 m深月壤底面温度趋于246 K,与以表面辐射热平衡为条件的底面温度模拟值250 K近似.基于Diviner实测数据的月表温度与辐射热平衡模型模拟月表温度对比结果为:赤道地区Diviner实测表面温度比模拟值差异主要分布在月球白天,在受月表地形起伏影响较大的月球昼夜交替的时间段更为显著,约50 K;在月球夜晚,两者差异约2 K.利用Diviner数据与热传导模型模拟得到的月壤温度廓线可当作月壤温度廓线的真实值,作为进一步分析"嫦娥一号/二号"微波探测仪数据的依据.     

区域红外亮温背景场建立方法及初步应用

本文主要利用NOAA/AVHRR热红外亮温图像建立活动构造区域亮温背景场的方法, 对背景场建立过程中NOAA图像的几何精校正、 云和干扰噪点、 噪线的去除等关键问题进行了分析, 并提出相应的解决方法。 在此基础上, 利用多年的NOAA卫星资料, 建立了首都圈地区(38°～42°N, 112°～118°E)的旬、 月、 年不同时间尺度上的亮温背景场, 并进行了分析。 结果表明, 首都圈地区的亮温背景场变化主要受季节和地形因素的影响, 时间维上整体表现为夏高冬低的年变特征, 符合季节变化规律; 空间维上总体表现为东南部华北平原区亮温高, 西北部随海拔高程的增加而亮温逐渐降低为特征。     

中国大陆卫星红外亮温与海拔高度关系的研究

海拔高度与卫星热红外亮温的关系是尚待深入研究的能反映地球表面热状态的重要信息,也是影响地震热红外异常分析的主要因素之一,文中把海拔高度每增加100m亮温降低的幅度称为亮温梯度,在系统筛选处理卫星热红外遥感数据的基础上,把中国大陆划分为西北、青藏、川滇、东北、华北和华南6个地区分别进行研究,取得了一些初步的结果:1)不同地区、不同月份亮温梯度的总体趋势相似,但又存在细节上的差异;2)各个地区的亮温梯度都小于前人根据气温资料计算得到的气温直减率(0.64℃/(100m)),而且在绝大多数情况下都<0.4℃/(100m),变化范围主要集中在0.15～0.35℃/(100m)之间;3)除青藏地区以外,其它5个地区的亮温梯度总体上表现为夏大冬小的特点。分析认为冬季冷空气的作用、大气对地面辐射的吸收衰减以及地理环境的差异等是影响亮温梯度时空动态的主要因素     

WRF模式短期高温天气模拟对陆面方案的敏感性

利用中尺度模式WRFV2.2及NCEP再分析资料,以24h短期天气模拟的方式,模拟了我国2003年7月下旬江南及华南地区的高温天气,检验了模拟高温对不同陆面方案的敏感性.结果表明,模式总体上能模拟出≥35℃的气温分布形势,但模拟高温对不同陆面方案比较敏感,在模拟强度、TS评分及误差上存在较大差异,如从评分来看,SLAB方案模拟最好,RUC次之,NOAH再次之;不同陆面方案能模拟出方案之间的系统性差异,如三个方案中SLAB方案模拟平均绝对误差最小,模拟低层西太平洋副热带高压脊线最为偏东;不同的陆面方案主要通过模拟地表感热通量的变化影响地面气温变化,由不同方案引起的环流变化与地面气温变化之间的正反馈机制不重要,甚至在主要高温区存在＂负＂反馈.改进陆面方案对提高地面气温的数值预报能力具有重要意义.     

CAMS云微物理方案的改进及与WRF模式耦合的个例研究

本文在中国气象科学研究院(CAMS)双参数云微物理方案的基础上,增加气溶胶粒子的活化过程,改进原方案中的水汽混合比、云水混合比及云滴数浓度的预报方程,实现对各种水成物(包括云水)的混合比和数浓度的预报.此外,改进后的CAMS云方案被成功耦合到了WRF v3.1中尺度模式.本文利用耦合模式对2009年4月23~24日发生在我国北方地区的一次降水天气过程进行了模拟,将新方案的模拟结果与WRF自带的3个微物理方案进行了比较.结果显示,新方案能够合理地描述地面降水特征,其模拟的雨带分布范围与实测接近,降水中心的强度和位置优于其他3个方案.新方案模拟的云滴数浓度与WDM6方案基本一致,表明加入的气溶胶活化过程是合理的.新方案模拟的其他水成物粒子数浓度与Morrison方案相比有时会有量级的差别,说明粒子数浓度的模拟目前还存在着很大的不确定性,这也是云微物理模式进一步发展的难点.     

从卫星红外亮温与大地热流的关系看地震前的热红外异常

一些强地震前地表可产生热异常是人们比较一致的认识,但能否用卫星遥感技术观测到地下热异常则存在很大的分歧.本文试图通过分析热红外亮温与大地热流值的关系,探讨利用卫星遥感技术观测地震热异常的可能性及其存在的一些问题.研究结果表明:（1）在绝大多数情况下,亮温随大地热流值的升高而升高,升高的速率平均为0.057℃/mW·m-2.如果地震引起的大地热流异常为100 mW·m-2,则有可能产生卫星红外平均亮温约5.7℃的异常.（2）不同地区亮温随大地热流值变化速率不同,即使地震前出现了卫星热红外亮温异常,但不同地区表现也是不同的.（3）在一些地区一些季节,亮温与大地热流值关系不明显,可能是亮温数据受气象因素干扰所致.这说明地震前的热红外亮温异常是复杂的,甚至有时是难于观测到的.     

卫星热红外亮温、气温及地温观测的年变变化对比研究

过对NOAA卫星热红外亮温与野外安装气象观测站接收的气温、地下不同深度地温(0.2, 0.5, 1.5,2 m)进行不同方式的对比研究,分析了卫星热红外亮温、气温、地下不同深度地温的变化特征,探讨了亮温与气温及不同深度地温之间的关系．结果表明:① 卫星热红外亮温观测,由于受天气、云层短周期因素变化影响,曲线呈现高频突跳特征,但按最大值拟合出的亮温曲线有较好的年变变化规律;② 浅层地温受气温及太阳辐射的影响较大,能够体现出日变化,表现出很好的季节变化规律;③ 深层地温年变平稳, 年变变化与季节相关．但与气温相比,表现出滞后效应,且深度越深,滞后时间越长;④ 亮温、气温及深度0.2 m地温三者之间呈现很好的相关性．亮温、气温、0.2 m地温的极值几乎同时段出现,都符合季节变化．分析表明,亮温能够真实地反映地表温度的变化情况,能够为利用卫星热红外亮温提取地震异常信息提供可靠准确证据．本研究结果为理解不同观测属性及其相互关系,以及更好地为地震监测应用提供了基础．      

WRF模式不同陆面方案对一次暴雨事件模拟的影响

本文利用中尺度模式Weather Research and Forecasting Model (WRF) 3.1版本及National Centers for Environmental Prediction (NCEP)分析资料,就2003年6月下旬我国江淮及南方地区的强降水事件, 以24 h短期天气模拟的方式,研究了模式中四个不同陆面方案对降水模拟的影响.结果表明,此次暴雨事件模拟对不同陆面方案是比较敏感的,模拟区域内雨量级别越高,不同方案的TS评分差异就越大,较大范围雨量可存在30%的差异,四种方案的暴雨中心值可存在100%～150%的较大差别;不同陆面方案还导致了模拟平均感热通量及潜热通量的系统性差异,这些差异的分布具有地域特点;陆面方案通过两种机理对模拟降水产生重要影响,即主要影响地表蒸发量,以及主要影响低层环流及水汽辐合,从而分别影响模拟的较大范围降水(如,平均约7%、最大约30%的较大范围雨量差异)及包含模拟降水中心的较小范围暴雨(如,方案间暴雨中心雨量可存在100%～150%的较大差别).可见,不同陆面过程可从不同空间尺度、不同程度上影响暴雨天气,改进陆面方案可以提高WRF模式对暴雨的模拟能力.     

应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究

双通道多时相反演方法在提取地表温度场时可把地表温度与地表发射率分离计算,是利用静止卫星热红外遥感资料研究地表温度场变化的一种有效方法。该方法计算简单,易于实现海量资料处理,基本满足红外遥感资料在地震预报中的应用要求。     

MODIS亮温与气温及地温的相关性分析

对MODIS卫星遥感亮温与气温、地温进行了不同时间尺度的大量的计算比对和相关性分析,以期得到直接采用实时MODIS亮温相对变化,结合地面实测地温来研究地震活动热异常的短临变化信息的具有统计意义的依据。结果表明:1)亮温与气温、地温从较长周期的时间尺度(月均值)上看,其相关性很好。而短周期(日均值)尽管明显低于较长周期,但仍然有着较好的相关性。2)通过大量计算比对发现,亮温均值与地温和气温的相关性随着像元面积的增大而逐渐升高。这表明,大气和环境的影响对单一像元而言较为明显。而这种影响可以由一定区域像元的亮温均值得到一些削弱,即一定区域的亮温均值与地温(0cm)的相关性优于单个探测像元的亮温。基于此,在研究亮温相对变化时,应尽量避免采用单一像元的亮温值,利用一定区域的像元均值可能会达到一些排除干扰的效果;3)鉴于热红外亮温数据与地表实际测到的地表温度(0cm)有着显著的相关性,将实时探测到的大面积均匀分布的亮温相对变化与地表实际测到的地表温度结合起来进行热异常变化信息研究,可望提升其可信度和有效性     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

MYJ和YSU方案对WRF边界层气象要素模拟的影响

研究新一代中尺度气象模式WRF中两种大气边界层方案(MYJ,YSU)对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响,重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素.和观测数据的比对表明WRF基本能够模拟出温度风速的日变化特征,但模拟风速偏大.YSU方案由于模拟的边界层顶卷挟和边界层内混合作用较强,夜间接地逆温强度低于MYJ方案,逆温维持时间比MYJ方案短4小时,同时模拟边界层高度也高于MYJ方案,有利于污染物垂直扩散.边界层高度的3种计算方法中,湍流动能方法计算的边界层高度最高,Richardson数方法次之,位温方法得到的高度最低.Richardson数方法对临界值的选取较敏感.     

边界层参数化方案及海气耦合对WRF模拟东亚夏季风的影响

区域气候模式的边界层参数化方案很大程度上影响着陆地-海洋-大气间水汽、动量及热量的交换,该方案的不确定性会给模式结果带来明显误差.本文基于WRF区域气候模式中四种常用的边界层参数化方案(YSU,ACM2,BouLac和MYJ)分别对东亚夏季风进行模拟研究,分析了不同的边界层方案对东亚夏季风环流及降水模拟的影响.结果表明,局地湍流动能方案BouLac和MYJ对东亚夏季风的模拟结果相对于非局地闭合方案YSU和ACM2更接近于观测,前者能更好的模拟出中国东部中低空西南风气流和西太平洋副热带高压.对于东亚夏季风降水,无论是空间分布还是季节内演变,BouLac和MYJ方案都要明显优于YSU和ACM2.此外,通过对比YSU和BouLac两种方案的模拟结果,发现边界层方案对东亚夏季风的模拟在海洋区域的影响更为显著.造成不同方案模拟差异的主要原因是非局地方案YSU和ACM2的边界层垂直混合偏强,使得海表向上输送的潜热通量明显偏强,对流更活跃,导致降水偏多以及相应季风环流的异常偏差.进一步研究指出缺少海气反馈过程使得WRF模式由边界层方案引起的模拟误差在海洋区域更为突出,引入海气耦合可以减小海表热通量误差并明显改善东亚夏季风的模拟结果.     

基于WRF模式的青藏高原斜坡和平台加热影响亚洲夏季风的模拟研究

青藏高原大地形的热力强迫作用对亚洲夏季风的形成和发展具有重要的影响.本文利用较高分辨率的WRF区域模式,探讨了高原不同区域（斜坡和平台）的地形加热分别对南亚夏季风和东亚夏季风的影响.结果表明：高原南部喜马拉雅山脉的斜坡地形加热对其周围局地的环流形势和降水影响十分明显,是南亚夏季风北支分量形成和维持的主导因子,也是斜坡上气流爬坡和降水发生的必要条件.斜坡加热对东亚夏季风也有明显的增强作用,它不仅加强了中国东部低空西南季风环流,还会造成北部南下的异常干冷空气的响应.斜坡上的地形加热作用也是对流层高层暖中心位置维持在斜坡上空的一个重要原因.而高原平台加热对季风环流和降水的影响虽然没有喜马拉雅山脉斜坡加热那么显著,但是对南亚夏季风的影响范围更广,对经向哈得来环流影响更明显,能够调控高原以外更远处热带洋面上的西南季风环流.通过比较高原不同区域地形加热条件下的多种季风指数,进一步表明了高原地形加热对南亚和东亚夏季风均有增强作用,但是高原不同区域的地形加热对两类夏季风子系统又会产生不一样的影响.     

2018年青海称多MS5.3地震前热红外亮温异常分析及预测回顾

以卫星热红外亮温资料为数据基础,采用小波变换和功率谱估计法,分析2018年称多地震前的热红外亮温异常,并对预测过程进行回顾总结。结果表明：称多地震前的热红外亮温异常演变表现为出现、增强、减弱、消失4个阶段,异常呈条带状分布且与断层走向基本一致,描述异常的一些特征参数均在以往震例研究结果的参考范围内;类比同地区其他震级相当地震的热红外亮温异常情况,发现称多地震前出现的热红外亮温异常可能与其是双震型地震有关;称多地震的预测过程总结为分析-判定-预测-检验4个阶段,可为区域震情判定提供新的经验。     

初始误差和参数误差对混沌系统可预报性影响的比较

利用非线性误差增长理论,以Lorenz系统为例比较研究了初始误差和参数误差对混沌系统可预报性的影响．结果表明：在初始误差和参数误差单独存在时,系统的可预报期限随误差大小的变化规律基本上相同;对于相同的误差大小,初始误差和参数误差对系统可预报期限的影响几乎相同,这一结果基本上不随参数范围的变化而变化．当初始误差和参数误差同时存在时,两者对可预报期限影响所起的作用大小主要取决于初始误差和参数误差的相对大小．当初始误差远大于参数误差时,Lorenz系统的可预报期限主要由初始误差决定,可以不用考虑参数误差对预报模式可预报性的影响;反之,当参数误差远大于初始误差时,Lorenz系统的可预报期限主要由参数误差决定;当初始误差和参数误差大小相当时,两者都对系统的可预报期限起重要作用．在后两种情况下,在考虑初始误差对可预报性影响的同时还必须考虑参数误差的作用．这提醒我们在作实际数值天气预报的时候,不仅要重视初值的确定,也要重视数值模式控制参数的确定．     

利用FY-2C资料研究于田7．4级地震前的红外增温异常

利用兰州卫星热红外接收站的风云二号静止卫星资料,经过去云等数据处理,选取热红外数据最佳的北京时间夜间11时至第2天凌晨4时之间的数据作为数据源,对2008年3月21日新疆于田7.4级地震进行了热红外资料的时空分析.研究结果表明,震前1个月内出现明显的亮温异常,最大幅度达18.51°,异常沿断层走向呈带状分布,沿康西瓦断层亮温异常长度可达200多公里,沿阿尔金断层亮温异常可达1 000多公里.     

同化站点观测和SSM／I亮温改善冻土活动层状态变量的模拟精度

以考虑了土壤冻融过程的一维水-热-盐分耦合模型SHAW为冻土活动层数据同化系统的动力学约束框架,通过集合卡尔曼滤波算法同化土壤水分和温度的站点观测数据以及被动微波辐射计SSM／I19GHz亮温观测数据,以改善冻土活动层水热状态变量的估计精度,实现模型模拟和观测信息的融合。冬季活动层冻结,同化的关键变量为土壤温度;而夏季同化的关键变量为土壤水分。通过单点同化试验表明,该同化系统能显著改善土壤表层水分和温度的估计精度;同时,在同化过程中给定合理的模型误差协方差项,可将表层优化后的信息迅速传递给深层土壤,达到改善整个土壤廓线状态变量估计的目的。同化结果表明,相对于SHAW模拟结果,同化4cm土壤温度观测后,各层土壤温度RMSE平均减小0.96℃,而同化4cm土壤水分观测数据后,各层土壤水分RMSE平均减小0.020m^3·m^-3;同化SSM／I 19GHz亮温后,各层土壤温度RMSE平均减小0.76℃,各层土壤水分RMSE平均减小0.018m^3·m^-3。